摻Yb3+環形光纖激光器的雙波長可調諧特性

張繼榮, 王 雷, 唐 毅, 徐曉峰, 康智慧, 戴振文

(吉林大學 物理學院, 相干光與原子分子光譜教育部重點實驗室, 長春 130012)

雙波長及多波長光纖激光器在許多領域應用廣泛, 如波分復用技術、 光纖傳感系統、 光學儀器測試和光信號處理等[1-4]. 目前已報道多種運行機制的雙波長光纖激光器, 如雙腔摻鉺光纖激光器[5]、 四光纖光柵配合雙腔光纖激光器[6]、 雙峰值反射光柵光纖激光器[7]和基于高精細度光纖濾波器的雙波長光纖激光器等[8]. 若能在雙波長的基礎上實現可調諧, 則將大幅度提高激光器的應用價值和實用性. 但目前對可調諧雙波長光纖激光器的研究報道較少[9-10]. 此外, 在室溫下實現光纖激光器多波長輸出方案較多, 如在腔內插入周期性多波長濾波器[11-12]等.

利用非線性偏振旋轉技術, 在環形光纖激光器中可實現穩定的可調諧雙波長和多波長輸出[13-14]. 本文構建了基于非線性偏振旋轉被動鎖模原理的摻Yb3+環形光纖激光器, 研究其雙波長寬帶的可調諧性, 并實現了2～7個波長的輸出. 利用該原理的多波長光纖激光器可實現28個波長同時輸出[15], 但本文采用的實驗裝置結構簡單, 無需增加腔長或使用雙折射光纖即可實現7個波長同時輸出.

1 雙波長可調諧特性

圖1 摻Yb3+環形光纖激光器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of Yb3+-doped ring fiber laser

摻Yb3+光纖環形激光器的實驗裝置如圖1所示. 由圖1可見, 環形腔由中心輸出波長為973 nm的激光二極管、 長度為74 cm的高摻雜濃度的摻Yb3+光纖(對975 nm的吸收為250 dB/m, 數值孔徑為0.11)、 1個偏振無關光隔離器、 2個光纖準直器、 一個980 nm/1 060 nm波分復用器(WDM)、 2個1/4波片(QWP)、 1個1/2波片(HWP)和1個偏振分光棱鏡(PBS)組成. 實驗中保持980 nm抽運激光功率200 mW, 通過調整1/4和1/2波片的方位角, 實現了雙波長可調諧輸出. 利用光譜分析儀測量激光的輸出波長, 所得等幅雙波長輸出和非等幅雙波長輸出分別如圖2和圖3所示. 由圖2和圖3可見, 等幅輸出的調諧寬度為13 nm, 不等幅輸出的調諧寬度為5 nm. 雙波長的波長間隔約為19 nm, 間隔變化小于2 nm, 間隔約為19 nm的重復性最好, 可調諧性最佳.

圖2 等幅雙波長輸出時的可調諧性Fig.2 Tunability of equal-amplitude dual-wavelength output

圖3 不等幅雙波長輸出時的可調諧性Fig.3 Tunability of unequal-amplitude dual-wavelength output

圖4 雙波長輸出時總輸出功率隨波長的變化關系Fig.4 Power of a dual-wavelength output as a function of wavelength

實驗結果表明, 圖1中PBS左側1/4波片主要起波長調諧作用, 右側1/2和1/4波片主要起雙波長相對幅度調節作用. 雙波長激光的波長為1 026～1 065 nm, 寬度為39 nm. 在調諧過程中, 向長波方向調諧時輸出功率減小, 這是由于摻Yb3+光纖的增益曲線不平坦, 最大增益在1 030 nm附近, 其兩側增益逐漸減小所致. 圖3中的長波強度無法調節到與短波相當, 這是由于長波波長距最大增益位置較遠, 諧振腔的濾波作用無法彌補2個信號光的增益偏差所致.

當泵浦功率為300 mW時, 激光器輸出功率隨波長的變化曲線如圖4所示, 其中波長為激光強度大的波長. 由圖4可見, 當最大輸出功率為87.8 mW時, 其轉換效率為29%, 當最小輸出功率為10.6 mW時, 其轉換效率為3.5%. 不同波長下的轉換效率相差較大, 這是由于不同波段激光增益存在差別所致.

2 泵浦功率對雙波長輸出的影響

下面考察泵浦功率對1 029 nm和1 048 nm雙波長輸出的影響. 當泵浦功率為200 mW時, 調節PBS前面的波片使2個波長等幅輸出后, 分別降低和增加泵浦功率觀察波長的變化規律, 結果如圖5所示. 由圖5可見: 當泵浦功率增加時, 短波長功率相對減小, 長波長功率相對增強, 同時2個波長均向短波方向移動; 當泵浦功率降低時, 其結果完全相反; 兩種情況下的雙波長間隔基本不變.

圖5 不同泵浦功率下雙波長的輸出譜Fig.5 Spectra of dual-wavelength output at different pump powers

激光器的濾波特性受泵浦功率影響較大, 這是由于泵浦功率改變, 腔內的2個信號光和殘余泵浦光的光強均隨之改變, 導致光纖中的自相位調制和交叉相位調制也隨之改變[16], 從而2個信號光在PBS輸出前的偏振態發生改變, 最終導致雙波長的位置和強度隨泵浦功率的改變而有規律地變化. 本文由泵浦功率變化引起的波長漂移以及相對強度的變化可通過調節腔內波片恢復到之前的狀態.

3 連續多波長的輸出特性

在非線性偏振旋轉被動鎖模光纖激光器結構的基礎上可實現多波長輸出[17]. 本文利用圖1所示的實驗裝置, 在適當泵浦功率下調節波片, 實現了2～7個波長的輸出, 如圖6所示.

圖6 不同泵浦功率下多波長的輸出譜Fig.6 Spectra of multi-wavelength output at different pump powers

其中: 圖6(A)為雙波長輸出, 泵浦功率為35～340 mW, 最大輸出功率為5 mW; 圖6(B)為三波長輸出, 泵浦功率為43～106 mW, 最大輸出功率為3 mW; 圖6(C)為四波長輸出, 泵浦功率為53～130 mW, 最大輸出功率為4 mW; 圖6(D)為五波長輸出, 泵浦功率為71～161 mW, 最大輸出功率為6 mW; 圖6(E)為六波長輸出, 泵浦功率為86～220 mW, 最大輸出功率為9 mW; 圖6(F)為七波長輸出, 泵浦功率為106～256 mW, 最大輸出功率為25 mW. 由圖6可得如下規律: 激光器可輸出波長的數目與泵浦功率有關, 更多的波長輸出需要更高的泵浦功率; 總輸出功率與輸出波長數目成正比. 由圖6可見, 激光器的轉換效率較低, 這是因為偏振濾波系統對高強度光的損耗較大所致; 當泵浦功率高于或低于上述泵浦區間時, 個別譜線會消失; 調節PBS右側1/2波片可控制各激光譜線的相對強度.

綜上, 本文構建了基于非線性偏振旋轉機理的摻Yb3+環形光纖激光器系統, 獲得了調諧寬度為13 nm的等幅雙波長激光輸出和調諧寬度為5 nm的不等幅雙波長輸出, 并考察了泵浦功率對1 029 nm和1 048 nm雙波長輸出特性的影響. 利用該激光系統實現了2～7個波長的輸出, 測量了其泵浦功率區間及最大輸出功率, 并分析了多波長的輸出規律.

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